(57)【要約】【課題】  燃料電池システムの高負荷運転時に増加する空気の量を調整して水素ガスを効率良く燃焼させることのできる水素燃焼装置を提供することを目的とする。【解決手段】  燃料電池スタックからそれぞれ排出される水素ガスと空気とを混合させた混合ガスを燃焼させる水素燃焼装置において、燃料電池スタックから排出される空気が流れる主流路１８に、水素燃焼器１６を設け、且つ前記主流路１８から分岐した分岐流路２０に、該分岐流路２０を流れる空気の流入量を調整する空気流入量調整手段である層流発生器２１を設ける。この層流発生器２１を設けることで、燃料電池システムの高負荷運転時に排出される多量の空気を、分岐流路２０へと流すことができ、主流路１８へは燃焼に必要な程度量を流すことができ、水素ガスを完全に燃焼させることができる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタック（１）からそれぞれ排出される水素ガスと空気とを混合させた混合ガスを燃焼させる水素燃焼装置において、
前記燃料電池スタック（１）から排出される空気が流れる主流路（１８）に、水素燃焼器（１６）を設け、且つ前記主流路（１８）から分岐した分岐流路（２０）に、該分岐流路（２０）を流れる空気の流入量を調整する空気流入量調整手段（２１、３７）を設けた
ことを特徴とする水素燃焼装置。
【請求項２】
請求項１に記載の水素燃焼装置であって、
前記空気流入量調整手段は、前記分岐流路（２０）を流れる空気を層流とする層流発生器（２１）からなる
ことを特徴とする水素燃焼装置。
【請求項３】
請求項１に記載の水素燃焼装置であって、
前記空気流入量調整手段は、前記分岐流路（２０）の流路断面積を可変自在とするバルブ（３７）からなる
ことを特徴とする水素燃焼装置。
【請求項４】
少なくとも請求項１から請求項３の何れか一つに記載の水素燃焼装置であって、
前記水素燃焼器（１６）の外周囲に断熱空気層（３６）を設けた
ことを特徴とする水素燃焼装置。
【請求項５】
請求項４に記載の水素燃焼装置であって、
前記断熱空気層（３６）は、前記水素燃焼器（１６）の外筒を二重管構造として形成した
ことを特徴とする水素燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムの燃料電池スタックから排出される水素ガスを空気と混合させて燃焼させる水素燃焼装置に関し、詳細には、燃料電池システムの高負荷運転時に増加する空気の量を調整して水素ガスを効率良く燃焼させるための燃焼技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、燃料電池自動車などに搭載される燃料電池システムでは、燃料電池スタックで発電に使用されずに残った未燃焼の水素ガスが大気へそのまま放出されるのを防止するために、当該水素ガスを空気と混合させて燃焼させる水素燃焼装置が使用されている。
【０００３】
水素ガスを燃焼させるためには、燃焼用の空気を水素燃焼装置に供給する必要がある。空気を導入する方法としては、専用の送風機を用いて水素燃焼装置に空気を強制的に送り込む方法（例えば、特許文献１、２など参照）、または、燃料電池スタックから排出される空気を直接、水素燃焼装置に導入させる方法の二通りがある。
【特許文献１】特開２００２−１２２３１１号公報（第４頁、第１図など参照）
【特許文献２】特開２００２−３７２２０８号公報（第２頁、第８図など参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、専用の送風機を用いて水素燃焼装置に空気を強制的に送り込む方法を採用した場合は、ファン、電源、制御部などが必要となり、装置構成が面倒になる。
【０００５】
一方、燃料電池スタックから排出される空気を直接、水素燃焼装置に流入させる方法を採用した場合は、燃料電池システムの高負荷運転時に増加する空気により、燃焼されずに未燃となった水素ガスがそのまま大気へ排出されることになる。一般に、水素燃焼装置の燃焼率は、該水素燃焼装置に設けられる触媒と水素ガスとの接触時間に比例するため、空気流量が増加すると前記接触時間が短くなることから、水素ガスが燃焼されずに大気に放出され易くなる。
【０００６】
そこで、本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池システムの高負荷運転時に増加する空気の量を調整して水素ガスを効率良く燃焼させることのできる水素燃焼装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の発明は、燃料電池スタックからそれぞれ排出される水素ガスと空気とを混合させた混合ガスを燃焼させる水素燃焼装置において、前記燃料電池スタックから排出される空気が流れる主流路に、水素燃焼器を設け、且つ前記主流路から分岐した分岐流路に、該分岐流路を流れる空気の流入量を調整する空気流入量調整手段を設けたことを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の水素燃焼装置であって、前記空気流入量調整手段は、前記分岐流路を流れる空気を層流とする層流発生器からなることを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の水素燃焼装置であって、前記空気流入量調整手段は、前記分岐流路の流路断面積を可変自在とするバルブからなることを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、少なくとも請求項１から請求項３に記載の水素燃焼装置であって、前記水素燃焼器の外周囲に断熱空気層を設けたことを特徴とする。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の水素燃焼装置であって、前記断熱空気層は、前記水素燃焼器の外筒を二重管構造として形成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に記載の発明によれば、燃料電池スタックから排出される空気が流れる主流路に水素燃焼装置を設け、また、主流路から分岐した分岐流路に該分岐流路を流れる空気の流入量を調整する空気流入量調整手段を設けたので、燃料電池システムの高負荷運転時には、空気流入量調整手段を調整することで、前記主流路へは水素燃焼に適した空気量を導入でき、前記分岐流路へはより多くの空気を流すことができる。
【００１３】
したがって、本発明によれば、燃料電池システムの運転状態に拘わらず、常に水素ガスを効率良く燃焼させることができ、未燃焼の水素ガスの大気への放出を防止することができる。
【００１４】
請求項２に記載の発明によれば、分岐流路を流れる空気を層流とする層流発生器を空気流入量調整手段としているので、燃料電池システムの高負荷運転時には、燃料電池スタックから排出された空気が層流発生器へと流れる。
【００１５】
請求項３に記載の発明によれば、分岐流路の流路断面積を可変自在とするバルブを空気流入量調整手段としたので、燃料電池システムの高負荷運転時には、前記バルブを調整して分岐流路の流路断面積を大きくすることで、燃料電池スタックから排出された空気を分岐流路へと優先して流すことができる。
【００１６】
請求項４に記載の発明によれば、水素燃焼器の外周囲に断熱空気層を設けたので、水素燃焼器で発熱した熱をこの断熱空気層が吸収することから、当該水素燃焼器の外周囲に配置する断熱材を不要とすることができる。
【００１７】
請求項５に記載の発明によれば、水素燃焼器の外筒を二重管構造として形成することにより断熱空気層としたので、簡単な構造で断熱材の役割をさせることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１９】
なお、本実施の形態は、本発明の水素燃焼装置を、燃料電池自動車に搭載される燃料電池システムに適用した例である。
【００２０】
「燃料電池システムの概略説明」
先ず、燃料電池システムについて簡単に説明する。図１は燃料電池システムの概略構成図である。図１中、細い実線αは酸素（空気）の流通経路、一点鎖線βは水素の流通経路、破線γは冷却液の流通経路、太い実線δは加湿用の純水の流通経路をそれぞれ示す。
【００２１】
燃料電池スタック１は、圧縮水素タンク２より水素ガスが導入される燃料極３と、外部から取り入れられる酸化剤ガスである空気が導入される空気極４とを備える。そして、この燃料電池スタック１では、燃料極３に導入された水素ガスと、空気極４に導入された酸素とを、これら燃料極３と空気極４の間に配置された電解質膜（図示は省略する）を介して反応させることにより発電させるようになっている。
【００２２】
燃料電池スタック１に供給される水素ガスと酸素は、発電作用の活性化及び電解質膜の劣化防止のため加湿器５で加湿される。加湿器５には、純水を貯水すると共に燃料電池システムを停止したときに燃料電池スタック１内に残存する純水を回収する純水タンク６に貯水された純水が、純水導出パイプ７と純水汲み上げポンプ８とにより供給される。
【００２３】
純水タンク６は、加湿器５に供給する純水を所定量貯水して置く貯水タンクとして使用される他、例えば氷点下の外気温度以下の下に燃料電池システムを停止して長時間停止させたときに燃料電池スタック１内の純水が凍って破裂するのを防止するために、システム運転終了後に純水経路内の純水を純水回収パイプ９を介して抜き取り貯水しておくのにも使用される。
【００２４】
また、燃料電池スタック１では、発電時に発熱するため、この燃料電池スタック１にラジエータ１０から冷却液ポンプ１１により冷却液を循環させ、当該燃料電池スタック１を冷却するようにしている。冷却液には、例えば不凍液（ＬＬＣ液）が使用される。
【００２５】
また、冷却液経路１２には、ラジエータ１０をバイパス（迂回）するバイパス通路１３が設けられている。燃料電池システムの始動時には、この冷却液経路１２に設けた３方弁１４によって、前記ラジエータ１０をバイパスさせるようにしている。このバイパス通路１３は、燃料電池システムの始動時にのみ使用され、システム運転時には、このバイパス通路１３には冷却液が流れないように制御される。
【００２６】
さらに、バイパス通路１３には、冷却液を加熱するための電熱又は水素燃焼熱を利用したヒータ１５が設置されており、このヒータ１５によって冷却液を加熱して燃料電池スタック１の暖気促進を図り、早急に発電システムを起動可能としている。
【００２７】
また、この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１で発電に使用されずに残った未燃焼の水素ガスがそのまま大気へ放出されないように、本発明の水素燃焼器１６で水素ガスを燃焼させた後、サイレンサー１７で消音させて大気へ放出させている。
【００２８】
「水素燃焼装置の構成」
次に、本発明を適用した水素燃焼装置について説明する。図２は水素燃焼装置の概略構成を示す断面図、図３は水素燃焼器の拡大断面図、図４（Ａ）は燃料噴出パイプの乱流板の斜視図、図４（Ｂ）は燃料噴出パイプの断面図、図５は混合部の混合板を示す斜視図、図６（Ａ）は層流発生器の斜視図、図６（Ｂ）は層流発生器の構成部品の斜視図である。
【００２９】
水素燃焼装置は、図２に示すように、燃料電池スタック１から排出される空気が流れる主流路１８に設けられた水素燃焼器１６と、この主流路１８から分岐した分岐流路２０に設けられた空気流入量調整手段である層流発生器２１とからなる。
【００３０】
水素燃焼器１６は、図３に示すように、円筒形状をなす燃焼器２２に、水素ガスを内部に噴出させる燃料噴出部２３と、流入された酸素と噴出された水素ガスとを混合させる混合部２４と、混合部２４で混合された混合ガスを燃焼させる燃焼部２５と、燃焼器２２の外周囲に配置される断熱材２６とを有する。
【００３１】
燃焼器２２は、燃焼温度・圧力に耐えられる材質、例えばステンレス（ＳＵＳ３０４）などから形成され、所定の大きさとされた円筒形状として形成されている。また、この燃焼器２２は、燃焼システムとして要求されるガス流量・発熱量などの要求を満足できる設計になれば、その他の形状、材質などとしてもよい。
【００３２】
燃料噴出部２３は、燃料電池スタック１から排出される未燃焼の水素ガスを燃焼器２２内に噴出する部分であり、アノードオフガス配管に接続された燃料噴出パイプ２７から構成されている。そして、この燃料噴出部２３では、燃料噴出パイプ２７の先端側部を燃焼器２２内に突出させ、その先端側部に形成した複数個の燃料噴出孔２８から水素ガスを噴出させる。
【００３３】
燃料噴出パイプ２７は、図４に示すように、例えばステンレスパイプからなる配管とされ、そのパイプ先端側周面に水素ガスを噴出する燃料噴出孔２８を複数形成している。この燃料噴出孔２８は、パイプ周面の中心に一箇所でもよく、または、円周方向に複数箇所設けてもよい。そして、この燃料噴出パイプ２７の先端には、円盤形状の乱流板３０が取り付けられている。
【００３４】
混合部２４は、水素ガスと酸素を混合させて混合気（混合ガス）を形成する部分であり、燃料噴出部２３の排気方向下流側に位置して設けられている。この混合部２４は、例えば複数枚の混合板３１、３２を所定間隔を置いて燃焼器２２内に配置固定することで構成される。燃料噴出部２３側に配置される混合板３１は、図５に示すように、中央に大きな円形孔３３が形成された円盤として形成されている。これに対して、他方の混合板３２は、小さな円形孔３４が複数形成された円盤として形成されている。これら二種類の混合板３１、３２に形成されたそれぞれの円形孔３３、３４を水素ガスと酸素が乱流を形成し通過することでこれらが混合された後、その混合された混合気が、燃焼器後方側の燃焼部２５へと送られる。
【００３５】
燃焼部２５は、混合部２４で混合された水素ガスと酸素からなる混合気を燃焼させる部分であり、該混合部２４の後方（排気下流側）に設けられている。燃焼部２５には、混合気と接触することによって該混合気を燃焼させる触媒３５が配置されている。触媒３５には、メタルハニカムやセラミックハニカム等の担体に白金等の貴金属を担持した、従来公知の触媒技術を用いることができる。
【００３６】
断熱材２６は、燃焼部２５で発生する熱を吸収し、燃焼器２２の外周囲を取り囲むようにして設けられている。この断熱材２６には、例えばガラスウールなどの従来公知のものが使用される。
【００３７】
層流発生器２１は、主流路１８から分岐した分岐流路２０に配置されている。分岐流路２０は、主流路１８と平行となるようにバイパスされ、水素燃焼器１６の前方と後方でそれぞれ連結されている。かかる層流発生器２１は、図６に示すように、例えばステンレスなどからなる平板３６と波板３７とを重ね合わせ、これらを巻き付けて円柱形状とすることで形成される。このように形成された層流発生器２１は、いわゆるハニカム形状とされる。そして、この層流発生器２１を分岐流路２０に配置すれば、該分岐流路２０を流れる空気流は層流となる。
【００３８】
「作用・効果」
次に、水素燃焼器１６を配置した主流路１８から分岐した分岐流路２０に層流発生器２１を設けた水素燃焼装置の作用・効果を説明する。
【００３９】
本実施の形態の水素燃焼装置では、主流路１８と分岐流路２０が交差する入口側の圧力が低いとき（燃料電池システムの低負荷運転時）は、主流路１８に流れる空気流量Ｖ１と分岐流路２０を流れる空気流量Ｖ２はほぼ同じになる。しかしながら、前記入口側の圧力が高いとき（燃料電池システムの高負荷運転時）は、単に分岐流路２０を設けただけ（分岐流路２０には層流発生器２１を設置していない場合）では、水素燃焼器１６側に空気が多く流れ、圧力損失が増大し、未燃焼の水素ガスがそのまま大気へと放出されてしまう。
【００４０】
一般に、流体の圧力損失ΔＰは、層流のときはΔＰ＝Ｋ１Ｖ、乱流のときはΔＰ＝Ｋ２Ｖ２で表される。但し、Ｋは常数、Ｖは流量である。これらの式から判るように、流体（本実施の形態の場合は空気）の流量が増加すれば、乱流の場合の圧力損失は流量の二乗として増加し、層流の場合の圧力損失は流量の増加に比例して増加する程度で、乱流の場合に比べてその圧力損失の増加量が小さくて済む。つまり、層流の場合は、空気流量が増大しても圧力損失はそれ程、増大しないことになる。
【００４１】
また、主流路１８と分岐流路２０が交差する入口側の圧力が増大して空気流量が増すと、層流発生器２１が配置された圧力損失の低い層流となる分岐流路２０の空気流量が増加することになる。したがって、水素燃焼器１６が配置される主流路１８を流れる空気の量は、圧力の増加ほどには増加しないことになる。但し、この主流路１８には、燃焼に必要な空気は水素燃焼器１６に流れる。つまり、燃料電池システムの高負荷運転時でも水素燃焼器１６の空気量を大きく増大することなく、全空気量を増加できることになる。
【００４２】
図７は主流路１８と分岐流路２０が交差する入口側における入口圧力と空気流量との関係を示す図、図８は水素燃焼器１６が配置される主流路１８と層流発生器２１が配置される分岐流路２０をそれぞれ流れる空気流量を示す図である。
【００４３】
図７からは、入口側の入口圧力と空気流量とはほぼ比例関係にあり、入口圧力が増加すればこれに比例して空気流量も増加することが判る。また、図８からは、分岐流路２０の空気流量に比べて、主流路１８の空気流量が遙かに低い値を示していることが判る。例えば、分岐流路２０を流れる空気流量が２０００（Ｌ／ｍｉｎ）のときに、主流路１８を流れる空気流量は僅か６００（Ｌ／ｍｉｎ）程度である。つまり、主流路１８に対して分岐流路２０に多量の空気が流れることになる。
【００４４】
実際に、本実施の形態の水素燃焼装置を使用して混合ガスを燃焼させたところ、燃料電池システムの低負荷運転時（空気流量６００（Ｌ／ｍｉｎ）、水素ガス流量２〜２０（Ｌ／ｍｉｎ））と、高負荷運転時（空気流量３５００（Ｌ／ｍｉｎ）、水素ガス流量１０〜７０（Ｌ／ｍｉｎ））の何れにおいても混合ガスを安全且つ完全に燃焼させることができた。そのときの圧力損失は、約２ｋＰａ程度に過ぎなかった。なお、圧力損失は、層流発生器２１の直径と長さで決まるが、例えば直径６１ｍｍ、長さ８０ｍｍの場合、２５℃の空気流量３５００（Ｌ／ｍｉｎ）で２２００Ｐａ程度である。
【００４５】
以上のように、本実施の形態の水素燃焼装置によれば、水素燃焼器１６が配置される主流路１８と分岐させた分岐流路２０に層流発生器２１を設けたので、燃料電池システムの高負荷運転時に燃料電池スタック１から排出される空気流量が増大しても、燃焼に必要な空気量を水素燃焼器１６へ送りつつも分岐流路２０へ多量の空気を流すことができる。その結果、水素ガスを完全に燃焼させることができ、未燃焼のまま水素ガスを大気へ放出させることを防止できる。
【００４６】
また、本実施の形態の水素燃焼装置によれば、大きな圧力損失を発生させることもない。一方、従来のように、燃料電池スタック１から排出される空気を直接、水素燃焼器１６に流入させた場合には、燃料電池システムの高負荷運転時において水素燃焼不良が生じたり圧力損失が増大する。
【００４７】
「その他の実施の形態」
図９は水素燃焼器１６の外周囲に断熱空気層を設けた水素燃焼装置の概略構成を示す断面図である。
【００４８】
この水素燃焼装置では、水素燃焼器１６の外筒である燃焼器２２部分を二重管構造とし、当該水素燃焼器１６の外周囲を断熱空気層３６としたものである。そして、この断熱空気層３６に主流路１８を流れる空気を流すことで、燃焼器２２で発生する熱を吸収させ、断熱効果を持たせる。
【００４９】
このように、水素燃焼器１６の外周囲に断熱空気層３６を形成すれば、この断熱空気層３６が断熱材の役割を果たすことになるので、従来から使用してきた断熱材を不要なものとすることができる。また、水素燃焼器１６の周囲の断熱材を配置する必要もないので、水素燃焼装置全体の小型化も図れる。
【００５０】
図１０は空気流入量調整手段として分岐流路２０の流路断面積を可変自在とするバルブを設けた水素燃焼装置の概略構成を示す断面図である。
【００５１】
この水素燃焼装置では、分岐流路２０に可変自在に制御されるバルブ３７を設け、燃料電池システムの高負荷運転時にはバルブ３７を開いて流路断面積を増大し空気流量を増やし、低負荷運転時にはバルブ３７を閉じて流路断面積を小さくし空気流量を減らすようにする。
【００５２】
このように、分岐流路２０の流路断面積を可変自在とするバルブ３７を分岐流路２０に設ければ、燃料電池システムの運転状況に拘わらず、燃料電池スタック１から排出される水素ガスを完全に燃焼させることができ、未燃焼のまま大気へ放出させることを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】本実施の形態の水素燃焼装置の概略構成を示す断面図である。
【図３】図２の水素燃焼装置における水素燃焼器の拡大断面図である。
【図４】図４（Ａ）は燃料噴出パイプの乱流板の斜視図、図４（Ｂ）は燃料噴出パイプの断面図である。
【図５】水素燃焼器における混合部の混合板を示す斜視図である。
【図６】図６（Ａ）は層流発生器の斜視図、図６（Ｂ）は層流発生器の構成部品の斜視図である。
【図７】主流路と分岐流路が交差する入口側における入口圧力と空気流量との関係を示す図である。
【図８】水素燃焼器が配置される主流路と層流発生器が配置される分岐流路をそれぞれ流れる空気流量を示す図である。
【図９】水素燃焼器の外周囲に断熱空気層を設けた水素燃焼装置の概略構成を示す断面図である。
【図１０】分岐流路の流路断面積を可変自在とするバルブを設けた水素燃焼装置の概略構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１…燃料電池スタック
１６…水素燃焼器
１８…主流路
２０…分岐流路
２１…層流発生器
２２…燃焼器
２３…燃料噴出部
２４…混合部
２５…燃焼部
２６…断熱材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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